艦載直升機(jī)機(jī)載武器保障與使用實(shí)驗(yàn)室建設(shè)初探

孫心豐， 姚科明， 鄂 群

（海軍大連艦艇學(xué)院艦船指揮系，遼寧大連116018）

0 引 言

艦載直升機(jī)以水面艦艇為活動(dòng)平臺(tái)，在艦艇編隊(duì)立體、多維的體系作戰(zhàn)能力發(fā)揮中扮演著重要的角色，可掛載多型武器，遂行攻潛作戰(zhàn)、對(duì)海攻擊、火力壓制等多種使命任務(wù)［1-3］。為提高艦載直升機(jī)作戰(zhàn)效能，作為水面艦艇航空專業(yè)人員，需要熟練掌握艦載直升機(jī)機(jī)載武器的基本工作原理、掛卸保障流程以及作戰(zhàn)使用方法。為提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，需要建立艦載直升機(jī)機(jī)載武器保障與使用實(shí)驗(yàn)室，并在此基礎(chǔ)上研制艦載直升機(jī)機(jī)載武器模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，用于專業(yè)人才培養(yǎng)、保障訓(xùn)練以及使用決策［4-5］，這樣將會(huì)貼近艦載直升機(jī)機(jī)載武器保障和使用訓(xùn)練實(shí)際需求［6-8］，并有效擴(kuò)大培訓(xùn)覆蓋范圍和層次，有利于提高院校和部隊(duì)人員的訓(xùn)練、操作水平，達(dá)到按綱施訓(xùn)的目的，盡快滿足院校專業(yè)學(xué)員適應(yīng)崗位任職以及艦艇部隊(duì)航空保障和指揮人員培訓(xùn)、輪訓(xùn)的需求。

1 實(shí)驗(yàn)室功能及組成

1.1 功 能

艦載直升機(jī)機(jī)載武器保障與使用實(shí)驗(yàn)室擬通過采用“三維模型仿實(shí)裝＋虛擬現(xiàn)實(shí)互動(dòng)”等多種方式，構(gòu)建一套分布合理、結(jié)構(gòu)完整，能清晰反映武器實(shí)裝內(nèi)部結(jié)構(gòu)、操作流程和作戰(zhàn)使用的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，滿足學(xué)院相關(guān)專業(yè)高等教育、艦艇航空部門人員培訓(xùn)等多層次培訓(xùn)教學(xué)的實(shí)作實(shí)操訓(xùn)練。

系統(tǒng)主要針對(duì)各型艦載直升機(jī)機(jī)載武器的結(jié)構(gòu)組成、工作原理、彈道過程進(jìn)行建模仿真，對(duì)機(jī)載武器的掛卸保障進(jìn)行VR虛擬操作，對(duì)機(jī)載武器的使用決策進(jìn)行仿真分析。通過本系統(tǒng)，可使受訓(xùn)人員能夠掌握艦載直升機(jī)機(jī)載武器的結(jié)構(gòu)組成、基本工作原理、彈道過程、掛載和卸載操作流程、不同戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)下的作戰(zhàn)使用方法等，從而達(dá)到受訓(xùn)人員對(duì)于艦載直升機(jī)機(jī)載武器保障和指揮能力培養(yǎng)的要求，更好地適應(yīng)我海軍艦艇航空專業(yè)人才隊(duì)伍建設(shè)的需要。系統(tǒng)的主要功能包括：機(jī)載武器結(jié)構(gòu)組成、工作原理可視化認(rèn)知教學(xué)及模擬訓(xùn)練；機(jī)載武器單人及多人協(xié)同掛卸操作教學(xué)及模擬訓(xùn)練；不同戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)下的多型機(jī)載武器作戰(zhàn)使用決策教學(xué)及模擬訓(xùn)練。

1.2 組 成

艦載直升機(jī)機(jī)載武器保障和使用實(shí)驗(yàn)室可包括機(jī)載武器結(jié)構(gòu)原理認(rèn)知訓(xùn)練區(qū)、掛卸保障虛擬操作訓(xùn)練區(qū)和作戰(zhàn)使用決策訓(xùn)練區(qū)三部分，其中，機(jī)載武器結(jié)構(gòu)原理認(rèn)知訓(xùn)練區(qū)包含5套VR操作設(shè)備（包括頭戴設(shè)備、定位基站、操作手柄和計(jì)算機(jī)顯控臺(tái)）；掛卸保障虛擬操作訓(xùn)練區(qū)包含1個(gè)VR工作站、動(dòng)作捕捉區(qū)域和5套VR操作設(shè)備（包括頭戴設(shè)備、定位基站、手部光學(xué)定位追蹤器和數(shù)據(jù)手套）；作戰(zhàn)使用決策訓(xùn)練區(qū)包含5個(gè)操作臺(tái)，各訓(xùn)練區(qū)的臺(tái)位通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)互聯(lián)，由主控臺(tái)分發(fā)、下達(dá)任務(wù)和進(jìn)行考核評(píng)估，并連通音頻、視頻、投影系統(tǒng)，其組成與布局的設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 艦載直升機(jī)機(jī)載武器實(shí)驗(yàn)室組成和布局圖

2 分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)艦載直升機(jī)機(jī)載武器保障與使用實(shí)驗(yàn)室的主要功能，擬構(gòu)建的艦載直升機(jī)機(jī)載武器模擬訓(xùn)練系統(tǒng)由機(jī)載武器結(jié)構(gòu)原理認(rèn)知訓(xùn)練分系統(tǒng)、機(jī)載武器掛卸保障操作訓(xùn)練分系統(tǒng)、機(jī)載武器作戰(zhàn)使用決策訓(xùn)練分系統(tǒng)3套分系統(tǒng)和任務(wù)分發(fā)及綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)組成。各個(gè)分系統(tǒng)之間有機(jī)聯(lián)系，共同滿足實(shí)驗(yàn)室的功能需求。

2.1 機(jī)載武器結(jié)構(gòu)原理認(rèn)知訓(xùn)練分系統(tǒng)

通過建立多型機(jī)載武器三維模型，采用立體的形式進(jìn)行多角度展示，并利用三維動(dòng)畫展示模擬各武器關(guān)鍵組件的結(jié)構(gòu)和動(dòng)作過程，用于仿實(shí)裝演示教學(xué)及認(rèn)知訓(xùn)練，完成各型機(jī)載武器結(jié)構(gòu)組成認(rèn)知。系統(tǒng)軟件考慮包括示范教學(xué)模塊、模擬訓(xùn)練模塊和考核評(píng)估模塊，其中，示范教學(xué)模塊包括模型動(dòng)畫演示、音頻、文字描述等；模擬訓(xùn)練模塊包括交互式操作等；考核評(píng)估模塊采用接收任務(wù)，以主觀操作形式進(jìn)行武器結(jié)構(gòu)原理認(rèn)知考評(píng)，并包括計(jì)分、提示和過程回放等。

2.2 機(jī)載武器掛卸保障操作訓(xùn)練分系統(tǒng)

通過創(chuàng)建基于任務(wù)的艦載直升機(jī)機(jī)載武器作戰(zhàn)保障虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，建立機(jī)載武器懸掛發(fā)射裝置三維模型和作業(yè)人物模型，采用增強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，運(yùn)用VR頭顯、手套、動(dòng)作捕捉等設(shè)備，完成各型機(jī)載武器的掛卸模擬操作［9］。系統(tǒng)軟件考慮包括示范教學(xué)模塊、模擬訓(xùn)練模塊、考核評(píng)估模塊。示范教學(xué)模塊用于機(jī)載武器作戰(zhàn)保障操作及流程的示范教學(xué)，嚴(yán)格依據(jù)裝備實(shí)操的規(guī)范要求，展現(xiàn)基于不同任務(wù)的直升機(jī)機(jī)載武器轉(zhuǎn)運(yùn)、掛載、試投、卸載的規(guī)范性操作方法和步驟；模擬訓(xùn)練模塊用于進(jìn)行各標(biāo)準(zhǔn)化操作，既能滿足單人操作的模擬訓(xùn)練，也能滿足多人協(xié)同作戰(zhàn)保障流程的模擬訓(xùn)練；考核評(píng)估模塊用于實(shí)時(shí)采集人員的操作動(dòng)作和協(xié)同作業(yè)流程，作業(yè)結(jié)束后與標(biāo)準(zhǔn)化動(dòng)作和作業(yè)流程相比對(duì)，自動(dòng)生成考核評(píng)估結(jié)果。

2.3 機(jī)載武器作戰(zhàn)使用決策訓(xùn)練分系統(tǒng)

通過開發(fā)虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，模擬武器火控系統(tǒng)，根據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)情況對(duì)武器的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行模擬設(shè)定操作；利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬武器發(fā)射或投放后的彈道，推演實(shí)際作戰(zhàn)效果，用于進(jìn)行機(jī)載武器使用決策訓(xùn)練［10-12］。系統(tǒng)軟件考慮包括示范教學(xué)模塊、模擬訓(xùn)練模塊、考核評(píng)估模塊。示范教學(xué)模塊用于機(jī)載武器彈道過程的示范教學(xué)，展現(xiàn)機(jī)載武器發(fā)射或投放后的彈道，演示不同設(shè)定參數(shù)情況下彈道和武器攻擊過程的變化，并能夠根據(jù)相關(guān)模型計(jì)算，推演實(shí)際作戰(zhàn)效果。模擬訓(xùn)練模塊用于進(jìn)行不同戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)下的武器使用決策模擬操作?？己嗽u(píng)估模塊用于通過記錄戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)信息，根據(jù)相關(guān)模型推算出相關(guān)態(tài)勢(shì)下的武器參數(shù)設(shè)定信息，與采集到的操作人員設(shè)定信息比對(duì)，從實(shí)際作戰(zhàn)效果等方面為戰(zhàn)場(chǎng)指揮員決策的正確與否提供判據(jù)，并自動(dòng)生成考核評(píng)估結(jié)果。

2.4 任務(wù)分發(fā)及綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)

通過開發(fā)綜合管理系統(tǒng)，用于選定不同的訓(xùn)練科目，分發(fā)訓(xùn)練任務(wù)，顯示學(xué)員訓(xùn)練過程并進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。系統(tǒng)軟件考慮包括數(shù)據(jù)管理模塊、示范教學(xué)模塊、任務(wù)設(shè)置模塊、導(dǎo)調(diào)控制模塊、考核評(píng)估模塊，用于對(duì)學(xué)員數(shù)據(jù)信息管理、示范教學(xué)、任務(wù)下達(dá)、模擬訓(xùn)練、考核評(píng)估及成績(jī)?cè)u(píng)定。

3 關(guān)鍵問題分析

艦載直升機(jī)機(jī)載武器實(shí)驗(yàn)室建設(shè)內(nèi)容復(fù)雜，艦載直升機(jī)機(jī)載武器模擬訓(xùn)練系統(tǒng)各分系統(tǒng)之間緊密結(jié)合，三維場(chǎng)景和模型建立數(shù)量多，技術(shù)難度較高［13-14］。考慮到建設(shè)目標(biāo)和功能需求，認(rèn)為艦艇場(chǎng)景仿真、戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)模擬和考核評(píng)估為系統(tǒng)需要解決的關(guān)鍵問題。

3.1 艦艇場(chǎng)景仿真

艦載直升機(jī)機(jī)載武器的保障操作是在艦艇飛行甲板上進(jìn)行的，操作的步驟和復(fù)雜程度受艦艇環(huán)境影響較大。因此需要對(duì)艦艇場(chǎng)景進(jìn)行仿真，主要包括艦艇運(yùn)動(dòng)模擬與飛行甲板三維場(chǎng)景仿真兩部分［15］。合理的艦艇運(yùn)動(dòng)模型和逼真的三維場(chǎng)景仿真是提高艦載直升機(jī)機(jī)載武器保障操作訓(xùn)練的重要保證。在艦載直升機(jī)機(jī)載武器模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中，VR工作站用于接收主控臺(tái)發(fā)送的氣象、海情等參數(shù)，根據(jù)艦艇運(yùn)動(dòng)模型，得到艦艇運(yùn)動(dòng)參數(shù)，包括艦艇的航向、航速、橫搖角、縱搖角、垂蕩值、橫搖角速度、縱搖角速度、首搖角速度以及位置信息。三維場(chǎng)景仿真能夠?qū)崟r(shí)顯示艦艇飛行甲板的布局，系留在飛行甲板上的艦載直升機(jī)模型、保障操作所需要的裝備和武器模型，以及艦艇運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，使受訓(xùn)人員能直觀地感受不同的艦艇環(huán)境。在這里，三維場(chǎng)景仿真主要接收兩方面的數(shù)據(jù)：①艦艇環(huán)境信息，由艦艇運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型提供，這部分?jǐn)?shù)據(jù)主要用于展現(xiàn)艦艇的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和所處的氣象、海況等；②艦型、機(jī)型、機(jī)載武器的選擇指令，這部分?jǐn)?shù)據(jù)主要是為了創(chuàng)建相應(yīng)的訓(xùn)練場(chǎng)景，滿足不同的訓(xùn)練科目。需要注意的是艦艇場(chǎng)景仿真對(duì)艦載直升機(jī)機(jī)載武器保障操作流程有一定的影響，如在能見度不良情況下，要額外開啟哪些裝備；艦艇搖擺幅度較大時(shí)，應(yīng)當(dāng)額外采取哪些固定武器的手段等。這樣，再加上VR的沉浸式體驗(yàn)，使受訓(xùn)人員能夠身臨其境，根據(jù)艦艇環(huán)境積極思考訓(xùn)練流程的改變、訓(xùn)練過程中的注意事項(xiàng)，從而達(dá)到提高訓(xùn)練效果的作用。

3.2 戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)模擬

艦載直升機(jī)機(jī)載武器的使用決策是航空專業(yè)人才作戰(zhàn)指揮能力培養(yǎng)的一個(gè)重要內(nèi)容，要求受訓(xùn)人員能夠根據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的不同，合理使用機(jī)載武器對(duì)目標(biāo)實(shí)施攻擊。因此，模擬戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)是艦載直升機(jī)機(jī)載武器模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的關(guān)鍵問題之一。戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)可分為環(huán)境構(gòu)建和目標(biāo)配置兩部分。環(huán)境構(gòu)建包括隨機(jī)生成的大氣環(huán)境中的風(fēng)、雨、霧等，海洋環(huán)境中的涌浪、水深等，海區(qū)環(huán)境中的島礁布局等；目標(biāo)配置包括增加各型直升機(jī)及其機(jī)載武器，敵潛艇、水面艦艇等活動(dòng)目標(biāo)，以及影響武器使用效能的干擾器、氣幕彈等假目標(biāo)。戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的生成可通過兩種方式來實(shí)現(xiàn)，①基于真實(shí)環(huán)境的需要。先通過收集現(xiàn)實(shí)海區(qū)情況的資料，建立戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境庫(kù)，使用時(shí)利用主控臺(tái)可隨時(shí)調(diào)?。辉偻ㄟ^不斷去各部隊(duì)調(diào)研，明確戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境庫(kù)中各海域可能出現(xiàn)的敵目標(biāo)以及我軍可使用的兵力，進(jìn)而生成更貼近實(shí)戰(zhàn)的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)。②基于訓(xùn)練任務(wù)的需要。先針對(duì)不同的訓(xùn)練科目，如艦載直升機(jī)攻潛作戰(zhàn)、對(duì)海攻擊、對(duì)地火力壓制等，通過主控臺(tái)的設(shè)置，隨機(jī)創(chuàng)建戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境；再根據(jù)任務(wù)想定，通過調(diào)整敵目標(biāo)的數(shù)量、方位、距離等參數(shù)，增減用于影響武器攻擊彈道的假象干擾目標(biāo)，進(jìn)而生成可以調(diào)整訓(xùn)練難易程度的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)。如此一來，可以提高受訓(xùn)人員在各種戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)下正確使用各型機(jī)載武器對(duì)目標(biāo)實(shí)施攻擊的決策能力。

3.3 考核評(píng)估

考核評(píng)估主要是對(duì)受訓(xùn)對(duì)象的訓(xùn)練情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，給出訓(xùn)練成績(jī)，指出訓(xùn)練存在的問題。根據(jù)分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，艦載直升機(jī)機(jī)載武器模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的考核評(píng)估分為原理認(rèn)知、保障操作、使用決策3個(gè)科目進(jìn)行，并進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，最后給出一個(gè)總的評(píng)估結(jié)果。這里需要綜合考慮兩個(gè)方面的因素。①每個(gè)科目的權(quán)重因素。對(duì)于不同層次的受訓(xùn)對(duì)象來說，每個(gè)訓(xùn)練科目的重要性是不同的。比如對(duì)于專業(yè)士兵來說，他們主要完成進(jìn)行武器協(xié)同掛載保障以及簡(jiǎn)單故障診斷和排除任務(wù)，因此，原理認(rèn)知和保障操作的權(quán)重應(yīng)該大一些；對(duì)于專業(yè)軍官來說，他們主要完成指揮部門人員進(jìn)行武器掛載保障和根據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)為指揮員提供武器使用建議的任務(wù)，保障操作和使用決策的權(quán)重應(yīng)該大一些。此外，對(duì)于不同機(jī)載武器來說，其認(rèn)知、掛載、使用的難易程度均不同，因此每個(gè)訓(xùn)練科目子科目的考核權(quán)重也要充分考慮各方面因素后確定。②對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)化動(dòng)作的處理。雖然每個(gè)科目的考核均有“標(biāo)準(zhǔn)答案”，但在實(shí)際訓(xùn)練中，雖然與“標(biāo)準(zhǔn)答案”不一致，但也能完成訓(xùn)練任務(wù)。比如保障操作科目中，一個(gè)訓(xùn)練任務(wù)所需的部分操作步驟可以不分孰先孰后；使用決策科目中，武器投放參數(shù)的設(shè)定可以略有差別，那么如何根據(jù)任務(wù)完成情況對(duì)受訓(xùn)者的訓(xùn)練效果進(jìn)行評(píng)估，是訓(xùn)練考核評(píng)估必須面對(duì)的一個(gè)問題。這里，通過加入“任務(wù)完成時(shí)間”“受外在條件影響情況”等因素，采取軟件自動(dòng)評(píng)估和教員人工評(píng)價(jià)相結(jié)合的方法，對(duì)于軟件能評(píng)估的，由軟件給出考核分?jǐn)?shù)；軟件無法評(píng)判的，由教員進(jìn)行人工評(píng)判。

4 結(jié) 語(yǔ)

該文針對(duì)艦艇航空專業(yè)人才培養(yǎng)的迫切需求，提出了艦載直升機(jī)機(jī)載武器保障與使用實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的初步方案。該實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和發(fā)展與實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練相契合，可作為集各型機(jī)載武器的結(jié)構(gòu)原理教學(xué)、作戰(zhàn)保障操作訓(xùn)練和作戰(zhàn)使用決策的一體化綜合性訓(xùn)練平臺(tái)。對(duì)于提高艦載航空專業(yè)人才的培養(yǎng)，提升院校教學(xué)能力以及提高部隊(duì)艦機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)能力具有重要意義。